Insects are helping us develop the future of hearing aids

Het menselijk oor is een wonder van mechanische evolutie. Het stelt ons in staat een verbazingwekkend scala aan geluiden te horen en om te communiceren en te navigeren in de wereld. Het is ook gemakkelijk te beschadigen en moeilijk te herstellen. Hoortoestellen zijn nog steeds groot, oncomfortabel en tot nu toe niet in staat om de rijke en prachtige geluiden die wij als vanzelfsprekend beschouwen, te leveren. Toch kan er een nieuwe manier zijn om beschadigd gehoor te vervangen vanuit een onverwachte bron – de insectenwereld.

Breng een zomer door op het platteland in een warm klimaat en je zult waarschijnlijk krekels horen tjirpen, mannetjes van de soort die "zingen" in een poging een vrouwtje aan te trekken. Wat verrassend is, is hoe klein de diertjes zijn gezien de zeer hoge geluidsniveaus die ze produceren. Zou het bestuderen van krekels ons iets kunnen leren over hoe je een kleine luidspreker ontwerpt die ook luid is, net zoals je nodig hebt voor een hoortoestel?

Momenteel onderzoeken mijn collega's en ik precies dit. Krekels maken geluid door hun vleugels tegen elkaar te wrijven. Het geheim van hun luide roepen is dat hun vleugels gegolfd zijn in specifieke patronen waardoor ze zeer stijf zijn, wat op zijn beurt zorgt dat ze zeer luid zijn wanneer ze tegen elkaar worden gewreven. Met behulp van lasertrillingssystemen en geavanceerde computersimulatiemodellen (vaker gebruikt om aerodynamica te bestuderen), kunnen we dit idee repliceren door de stijfheid van een luidsprekeroppervlak aan te passen. Dit creëert een eenvoudige en efficiënte manier om zeer kleine luidsprekers inderdaad zeer luid te maken.

Insecteninspiratie stopt echter niet bij kleine luidsprekers. Hoortoestellen zijn traditioneel ontworpen om in verschillende stadia te werken. Geluidssignalen worden opgepikt door een microfoon en vervolgens elektrisch versterkt. Ongewenste geluiden worden uitgefilterd met digitale processors en tot slot levert een luidspreker hoogintensief geluid in de gehoorgang. Bij elk van deze processen kunnen we misschien iets leren van insecten.

Een van de best bestudeerde insecten in de bio-akoestiek is de sprinkhaan, die twee grote "tympanale" membranen gebruikt om te horen aan weerszijden van zijn borstkas. Deze membranen trillen met het geluid en sturen de resulterende signalen door naar het zenuwstelsel, net zoals een menselijk trommelvlies. Recent hebben we waargenomen dat dit membraan meer doet dan alleen op en neer trillen. Na zorgvuldige dissectie ontdekten we dat het een regelmatige variatie in dikte had. Hoewel dit op het eerste gezicht niet bijzonder interessant klinkt, waren we verbaasd toen we er geluid op afspeelden.

Het produceerde een tsunami-achtige trilling met de piek van de golf direct op de locatie van de zenuwcellen. In feite zorgde deze eenvoudige variatie in dikte voor enorme versterkingen van de geluidsenergie. Het proces van versterking bij zoogdieren wordt bereikt met kwetsbare gehoorbeentjes in het middenoor, iets wat sprinkhanen bereiken door simpelweg de dikte van hun trommelvlies te variëren. Misschien kunnen we op dezelfde manier microfoons ontwerpen met ingebouwde passieve versterking gebaseerd op dit idee.

Interessant is dat sommige insecten ons zelfs doen afvragen wat precies een microfoon kan zijn. Muggen en fruitvliegen hebben bijvoorbeeld kleine antennes op hun kop die microscopisch klein zijn, maar toch zeer gevoelig voor geluid. Hoewel het onderzoek naar deze kenmerken nog in een verkennende fase is, zou het ons in onontgonnen richtingen van microfoonontwerp kunnen leiden.

Het proces van het filteren van binnenkomende geluiden met een hoortoestel vereist vrij geavanceerde elektronica, wat direct invloed heeft op de grootte en de batterijduur van het apparaat. Ook hier kan de sprinkhaan uitkomst bieden. Naast het versterken van de geluidsgolven, filteren de tympanale membranen ook een reeks frequenties uit. Dit komt waarschijnlijk door het materiaal waaruit het membraan bestaat.

Mijn collega, professor Daniel Robert, ontdekte onlangs een Zuid-Amerikaanse soort sabelsprinkhaan of boskrekel die mogelijk dezelfde taak uitvoert. De sabelsprinkhaan heeft een kleine structuur van minder dan een millimeter in elk van zijn voorpoten die verschillende frequenties kan scheiden in locatiespecifieke trillingen, zeer vergelijkbaar in functie met de menselijke cochlea. Als we deze mechanische frequentiescheiding op de een of andere manier in de microfoon zelf zouden kunnen integreren, kunnen we misschien de automatische filtereigenschappen benutten.

Biologie, geneeskunde en techniek zijn traditioneel vrij gescheiden disciplines geweest. Maar door ze te combineren, zoals we in deze projecten hebben gedaan, kunnen we nieuwe technische oplossingen ontwikkelen op basis van ontdekkingen die mogelijk vele jaren geleden zijn gedaan. Hoewel bio-geïnspireerde hoortoestellen misschien nog niet direct in de schappen liggen, zou dit innovatieve nieuwe onderzoeksgebied steeds meer manieren kunnen vinden om tegemoet te komen aan de behoeften van mensen met gehoorverlies. En er is nog veel meer inspiratie te halen uit onze miniatuur mechanische specialisten, de insecten.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd van The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.